基于CEEMD与小波包的单相接地故障选线方法

刘炳南，耿蒲龙，田慕琴，宋建成

(1.太原理工大学 矿用智能电气技术国家地方联合工程实验室，山西 太原 030024；2.太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山西 太原 030024)

随着现代化综采技术的发展，矿井供电容量不断增大，供电电压等级不断增多，供电距离不断增长，发生单相接地故障的概率也不断提高，因此如何快速准确的进行故障选线具有非常重要的现实意义[1-3]。

近年来，国内外多位学者对此问题进行了长期研究，提出了多种选线方法，大体可分为基于暂态分量法和基于稳态分量法[4-7]。由于矿井供电系统中多采用中性点经消弧线圈接地系统，基于稳态分量法不再适用，因此基于暂态分量的选线方法得到了广泛关注。而其中最常用方法为小波包变换，但小波包变换受信号中低频分量的影响较大，在故障特征不明显的情况下易选线失败。因此本文提出了一种基于互补集成经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD)[8-10]与小波包[11-14]的单相接地故障选线方法，能最大限度的降低低频分量对选线的影响，并通过实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator，RTDS)验证了该选线方法的正确性和有效性。

1 单相接地故障暂态特性分析

矿井供电系统均采用中性点经消弧线圈接地系统，当发生单相接地故障时，暂态等值电路如图1所示。

图1 单相接地故障暂态等值电路

其中，Rj为接地点过渡电阻；R为线路零序等效电阻；L为线路零序等效电感；C0为线路对地分布电容之和；LL为消弧线圈电感；RL为消弧线圈有功损耗电阻；u0为故障点附加电源电压。

当发生单相接地故障时，故障线路首端暂态零序电流包括暂态电容电流和暂态电感电流，非故障线路首端暂态零序电流为本线路暂态电容电流，故障线路与非故障线路暂态零序电流不论在幅值还是振荡频率上均存在差异，因此，可以利用各条线路暂态零序电流的差异作为单相接地故障选线的理论依据。

2 基于RTDS的矿井供电系统仿真模型

本文以实际矿井系统作为研究对象，在RTDS中根据实际情况搭建了矿井供电系统。

该系统主变电站为35/6kV系统，变压器T1变比为35/6kV，其二次侧中性点经消弧线圈接地并采用过补偿10%的运行方式。出线均为纯电缆线路，共包括4条6kV的高压馈线以及4条低压馈线，其中L0=1.5km，L1=11km，L2=9km，L3=10km，L4=9km，L5=0.8km，L6=1km，L7=0.8km，L8=1km，设置L4为故障线路，线路长度均根据实际矿井系统图设定。变压器T2—T5变比分别为6/0.66kV，6/0.69kV，6/0.69kV，6/0.66kV。

3 CEEMD与小波包选线方法

设置故障条件为故障初相角90°、接地电阻0Ω、消弧线圈过补偿10%、线路4发生故障、故障发生在线路首端；由于暂态电流分量的自由震荡频率约为1.5～3kHz，根据奈奎斯特采样定律，采样频率设置为8kHz。采集到的零序电流波形如图2所示。

图2 零序电流波形图

为解决EMD分解中存在的模态混叠现象[15]，CEEMD应运而生；CEEMD可以完美解决模态混叠现象，并且具有较高的自适应性，适用于各种情况下的单相接地故障；分别对各条线路的零序电流进行CEEMD分解，提取各条线路分解得到IMF1分量，如图3所示。

图3 CEEMD分解后IMF1分量

小波包具有较高的时频分解特性，通过实验分析，选用db10小波基函数进行5次分解可得到最优的分解效果，因此对所得到的IMF1采用db10小波基函数进行5次分解，进行小波包能量占比的计算，能量占比谱图如图4所示。

通过对图4能量占比的分析，按照能量最大的原则确定频带1为特征频带，对特征频带进行小波包分解系数的提取，如图5所示。

对小波包分解系数进行分析，取模最大值点处的极性来判断故障线路，通过图5可知，前3条线路的模最大值处的极性为正，而线路4的模最大值极性为负，因此可判断线路4为故障线路，选线结束。

图4 小波能量占比谱图

图5 小波包分解系数

4 选线方法

4.1 单相接地故障选线方法

通过上述分析，矿井供电系统发生单相接地故障时，利用CEEMD算法消除低频分量的影响，再利用小波包对CEEMD分解得到的IMF1分量进行处理，通过分析最大特征频带的小波包分解系数的极性来实现准确的故障选线，具体选线步骤如下：

1)当零序电压u0>母线电压Ut的15%时，若满足条件，则提取故障时刻前后1/4周期的波形。否则重复步骤1)，直至满足条件。

2)对提取出的零序电流进行的CEEMD分解，得到一系列固有模态函数IMF以及余项r，提取高频IMF1分量。

3)利用小波包算法对IMF1分量进行5次分解，得到32个特征频带，并选择模最大的特征频带进行小波包系数的提取，判断小波包系数模最大值的极性。

4)若各条线路小波分解系数极性相同，则判断为母线故障，若某条线路小波分解系数极性与其余线路相反，则判断该线路故障。

4.2 方法适应性分析

矿井供电系统发生单相接地故障时，零序电流的暂态特性会随着接地点过渡电阻、故障线路长度、故障位置、故障初相角的不同而发生改变。通过仿真对选线方法进行验证，仿真结果见表1。

表1 单相接地故障选线结果

5 结 论

本文针对矿井供电系统发生单相接地故障时，故障特征不明显情况下小波包选线方法选线准确性差的问题，提出了一种基于CEEMD与小波包的单相接地故障选线方法，并通过RTDS实时数字仿真进行了验证，可得出如下结论：

1)基于CEEMD与小波包的单相接地故障选线方法能解决小波包算法在故障特征不明显时易出现选线失败的问题。

2)基于CEEMD与小波包的单相接地故障选线方法能剔除低频分量，仅对高频故障分量进行分析处理，具有更高的可靠性。